CN117491021A - 一种台架进气流量调节计量系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种台架进气流量调节计量系统及使用方法，涉及发动机台架进气流量调节监测技术领域，台架进气流量调节计量系统包括，稳压罐，其上设有进气端；测量单元，其与所述稳压罐相连，所述测量单元内设有音速喷嘴结构，且所述测量单元远离所述稳压罐的一端还设有出气端；控制计量组件，其基于所述测量单元测量气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节气体流量值的大小。本发明可以解决脉冲波动及上下游压力变化引起的测量精度较低问题，同时满足对流量需求的精确控制。

Description

一种台架进气流量调节计量系统及使用方法

技术领域

本申请涉及发动机台架进气流量调节监测技术领域，具体涉及一种台架进气流量调节计量系统及使用方法。

背景技术

进气调节系统作为发动机台架试验过程中关键控制和监控因素，其稳定性和准确性对试验过程后数据计算分析影响较大，计量精度和测量范围直接关系台架实验能力。由于单缸机自身存在进气流量波动特性，对其稳定的供气和测量及成为影响数据的真实性关键点。

目前用于进气流量测量和调节的方式较多，大部分系统用于传统多缸机测试过程中，由于多缸机较单缸机脉冲波的影响较小，其测量结构和方法并不适用于单缸机进气测量和控制。在测量过程中往往测得数据比实际数据偏大，同时精度不足以满足需求。

比如现有技术中的一种流量调节方式是根据超音速理论，利用高精度调压阀和可变吼道二元收缩扩张管控制最小孔径处节流面积来调节流量的一种控制装置。然而这种方式通过二元收缩改变截留孔面积，对加工精度和设备连续性调节要求较高，同时受下游进气回流和波动影响，稳定性较差。

现有技术中另一种方式则是利用音速喷嘴流量与后部面积正比原理，通过塞锥改变截面积进行流量调节的目的。然而这种方式通过塞锥改变节流面积方式，连续性和响应性较差，同时也会受前端和后端压力波动干扰。

发明内容

本申请提供一种台架进气流量调节计量系统及使用方法，其可以解决脉冲波动及上下游压力变化引起的测量精度较低问题，同时满足对流量需求的精确控制。

第一方面，本申请实施例提供一种台架进气流量调节计量系统，所述台架进气流量调节计量系统包括：

稳压罐，其上设有进气端；

测量单元，其与所述稳压罐相连，所述测量单元内设有音速喷嘴结构，且所述测量单元远离所述稳压罐的一端还设有出气端；

控制计量组件，其基于所述测量单元测量气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节气体流量值的大小。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述控制计量组件包括：

温度传感器，其用于采集所述测量单元内气体的温度；

第一压力传感器，其用于采集所述音速喷嘴结构前端的第一压力；

第二压力传感器，其用于采集所述音速喷嘴结构后端的第二压力；

控制计量单元，其根据接收的所述温度、第一压力和第二压力，计算气体流量值。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述控制计量组件还包括：

比例阀，其与所述稳压罐相连，通过控制所述稳压罐的放气量以调节所述气体流量值的大小。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述稳压罐和测量单元的连接处的截面直径相等。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述测量单元内还设有：

进气导向格栅，其位于所述稳压罐和音速喷嘴结构之间。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述进气导向格栅与所述稳压罐和测量单元的连接处的距离为2cm。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述测量单元靠近所述出气端的位置还设有单向阀，以使气体单向地从所述进气端流向所述出气端。

第二方面，本申请实施例提供了一种上述台架进气流量调节计量系统的使用方法，该方法包括以下步骤：

将所述进气端与供气系统相连，将所述出气端与发送机单缸机相连；

基于所述测量单元，通过所述控制计量组件测量供气系统输入的气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节进入发送机单缸机的气体流量值的大小，直到达到目标值。

结合第二方面，在一种实施方式中，所述基于所述测量单元，通过所述控制计量组件测量供气系统输入的气体流量值，包括：

利用温度传感器采集所述测量单元内气体的温度；

利用第一压力传感器采集所述音速喷嘴结构前端的第一压力；

利用第二压力传感器采集所述音速喷嘴结构后端的第二压力；

控制计量单元根据接收的所述温度、第一压力和第二压力，计算气体流量值。

结合第二方面，在一种实施方式中，所述通过调节所述进气端的压力以调节进入发送机单缸机的气体流量值的大小，直到达到目标值，包括：

调节与所述稳压罐相连的比例阀，控制所述稳压罐的放气量，以调节所述第一压力的大小；

实时比较气体流量值与目标值的大小，对比例阀进行PID调节，直到气体流量值达到目标值。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请中的台架进气流量调节计量系统，其包括稳压罐，其上设有进气端；测量单元，其与所述稳压罐相连，所述测量单元内设有音速喷嘴结构，且所述测量单元远离所述稳压罐的一端还设有出气端；控制计量组件，其基于所述测量单元测量气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节气体流量值的大小。

其中，在进气端设置稳压罐，通过稳压罐保持一定容积，可以减少压力调节过程中压力变化影响进入流量计测量单元处压力波动。通过控制计量组件测量气体流量值，然后通过调节所述进气端的压力进行反馈调节，使得气体流量值的大小趋近于目标值。从而整个过程很好地解决了脉冲波动及上下游压力变化引起的测量精度较低问题，同时满足了对流量需求的精确控制。

附图说明

图1为本申请台架进气流量调节计量系统一实施例的结构框图；

图2为本申请图1中音速喷管结构锁口处的放大示意图；

图3为本申请台架进气流量调节计量系统的使用方法一实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

第一方面，本申请实施例提供一种台架进气流量调节计量系统。

一实施例中，参照图1，图1为本申请台架进气流量调节计量系统一实施例的结构框图。如图1所示，台架进气流量调节计量系统包括：稳压罐、测量单元和控制计量组件。

其中，稳压罐上设有进气端；测量单元与所述稳压罐相连，所述测量单元内设有音速喷嘴结构，且所述测量单元远离所述稳压罐的一端还设有出气端；控制计量组件基于所述测量单元测量气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节气体流量值的大小。

值得说明的是，在图1中，稳压罐左侧的进气端是用来与供气系统相连，气体进入台架进气流量调节计量系统，通过测量和调节气体流量，直到达到目标值，然后再通过测量单元右侧的出气端流入到发送机单缸机。所以为了保证流入到发送机单缸机内的气体流量，需要利用本实施例中的台架进气流量调节计量系统来进行测量和调节。

由于发动机单缸机在运行过程中受单缸进气影响会产生脉冲气流，在传统单缸机试验台架上均会出现类似的问题，因为传统流量计会重复计量脉冲值，导致测量干扰，同时入口端的气压波动也会导致测量值出现波动，在进行测量过程中首先考虑计量设备前后端气流波动对测量值的影响，保证测量单元压力值较为稳定，因此需要在结构上进行优化，故本实施例在前端增加稳压罐，通过稳压罐保持一定容积，减少压力调节过程中压力变化从而影响进入流量计测量单元处压力波动。通过仿真计算，该处稳压罐体积为测量单元处容积的20倍，从而保证入口处压力波动受干扰较小，增加稳压罐后压力波动从0.2bar减小到0.1bar。

此外，为了进一步改善气流扰动，一实施例中，所述稳压罐和测量单元的连接处的截面直径相等。即保持稳压罐和测量单元连接处直径一致，从而减小前端压力变化带来测量端气流扰动。

优选地，还可以在稳压罐和音速喷嘴结构之间设置进气导向格栅，进一步地，所述进气导向格栅与所述稳压罐和测量单元的连接处的距离为2cm，从而可以进一步减少进气端气流变化对进气入口端影响。

在本实施例中，测量单元整体上为一管道组件，在其内部适当的位置设有音速喷嘴结构，控制计量组件主要包括温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、控制计量单元和比例阀。

其中，温度传感器用于采集所述测量单元内气体的温度；第一压力传感器其用于采集所述音速喷嘴结构前端的第一压力；第二压力传感器用于采集所述音速喷嘴结构后端的第二压力；控制计量单元根据接收的所述温度、第一压力和第二压力，计算气体流量值。

具体的，参见图1所示，温度传感器、第一压力传感器和第二压力传感器为图中的T1、P1和P2。利用测量单元内的音速喷嘴结构和控制计量组件即可完成气体流量的计算。

此外，所述测量单元靠近所述出气端的位置还设有单向阀，以使气体单向地从所述进气端流向所述出气端。即在测量单元后端加装单向阀装置，这样可以防止脉冲气体回流对第二压力传感器产生影响。

值得说明的是，气体流量通过计算入口处温度、压力、和喷嘴流量系数获得。而喷嘴流量系数与音速喷嘴结构设计紧密相关，该处需保证P1/P2比值大于1.2。喷嘴计量原理流体流经管道内的节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差，压差的大小同流量大小存在着一定的函数关系，从而可以通过测量节流件前后的差压来测量流量。可以理解的是，如果P1/P2比值过于小，那么会导致节流件前后产生不了压差，那么将会导致后续无法进行计算。

在控制计量单元获取了T1、P1和P2采集的数据之后，便可以结合音速喷嘴结构计算出当前的气体流量，一般来说，本实施例会预设设置一个目标值，如果当前计算的气体流量和目标值之间存在偏差，那么就需要进行反复调节，直到达到目标值。

为此，本实施例中的控制计量组件设有一比例阀，比例阀与所述稳压罐相连，通过控制所述稳压罐的放气量以调节所述气体流量值的大小。具体的，在调节比例阀之后，便可以改变稳压罐的放气量，进而便可以调整P1的大小，这样一来便会改变最后的气体流量的大小，即通过比例阀来调节测量值与目标值之间的差值，使测量值与目标值数据一致，可以知道的是该处进行PID调节，闭环控制，从而可以很好地满足对流量需求的精确控制。

下面对本实施例中的测量单元中的音速喷嘴结构和控制计量组件的相关原理做出进一步介绍：

控制计量组件通过两个压力传感器(前端的P1、后端的P2)和一个温度传感器T1进行测量，通过音速喷嘴结构喉口处前后压力差进行测量，该处利用空气动力学原理进行计算空气流量，通过拟合公式进行修正后为具体测量值。

具体而言，参见图1和2所示，图1中D1取值范围为0.5cm～5cm，D1为测量单元入口处孔径。L1取值范围为8～24cm，该管路长度保持P1测量值稳定，L2+L3的范围为4～8cm。L2为喉口到音速喷嘴结构前端的距离，L3为喉口到音速喷嘴结构后端的距离，进气导向格栅离进气口2cm，从而减少进气端气流变化对进气入口端影响。

参见图2所示，在本实施例中，音速喷管结构锁口处尺寸D1、D2、L3和θ满足：

式中，D2为D1值的1/10，θ为15～20°，即L3值与D1和θ强相关。以上结构单元为测量单元，其参数与总进气管管径为映射关系。

流量测量范围(0～50m³/min，介质为空气)与D1强相关，测量最大值为D1尺寸倍数关系。气体通过音速喷管后前后压力差为一定，该结构处需保持前后压力差在1.2倍关系。

通过线性拟合，该处体积流量多项式公式为(经验公式)。其中K为修正系数与D1、D2、L2、L3、θ存在以下关系。D2＝1/9D1，L3＝D1/18/>L2＝1/4D2，即K系数与D1和θ为关联参数。

K∝D1*tanθ/2；

式中A、B为常数。

其中，

下表为实测值与计算流量之间的差别：

综上所述，本申请中的台架进气流量调节计量系统，其包括稳压罐，其上设有进气端；测量单元，其与所述稳压罐相连，所述测量单元内设有音速喷嘴结构，且所述测量单元远离所述稳压罐的一端还设有出气端；控制计量组件，其基于所述测量单元测量气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节气体流量值的大小。

其中，在进气端设置稳压罐，通过稳压罐保持一定容积，可以减少压力调节过程中压力变化影响进入流量计测量单元处压力波动。通过控制计量组件测量气体流量值，然后通过调节所述进气端的压力进行反馈调节，使得气体流量值的大小趋近于目标值。从而整个过程很好地解决了脉冲波动及上下游压力变化引起的测量精度较低问题，同时满足了对流量需求的精确控制。

第二方面，本申请实施例还提供一种台架进气流量调节计量系统的使用方法。

一实施例中，参照图3，图3为本申请台架进气流量调节计量系统的使用方法一实施例的流程示意图。如图3所示，台架进气流量调节计量系统的使用方法包括以下步骤：

S1、将所述进气端与供气系统相连，将所述出气端与发送机单缸机相连；

S2、基于所述测量单元，通过所述控制计量组件测量供气系统输入的气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节进入发送机单缸机的气体流量值的大小，直到达到目标值。

进一步地，一实施例中，所述基于所述测量单元，通过所述控制计量组件测量供气系统输入的气体流量值，包括：

利用温度传感器采集所述测量单元内气体的温度；

利用第一压力传感器采集所述音速喷嘴结构前端的第一压力；

利用第二压力传感器采集所述音速喷嘴结构后端的第二压力；

控制计量单元根据接收的所述温度、第一压力和第二压力，计算气体流量值。

进一步地，一实施例中，所述通过调节所述进气端的压力以调节进入发送机单缸机的气体流量值的大小，直到达到目标值，包括：

调节与所述稳压罐相连的比例阀，控制所述稳压罐的放气量，以调节所述第一压力的大小；

实时比较气体流量值与目标值的大小，对比例阀进行PID调节，直到气体流量值达到目标值。

进一步地，一实施例中，利用位于所述稳压罐和音速喷嘴结构之间的进气导向格栅输送气体。

进一步地，一实施例中，利用所述测量单元靠近所述出气端的位置的单向阀，以使气体单向地从所述进气端流向所述出气端。

其中，上述台架进气流量调节计量系统的使用方法中各个步骤的功能实现与上述台架进气流量调节计量系统实施例中各设备结构相对应，其功能和实现过程在此处不再一一赘述。

综上所述，本申请中的台架进气流量调节计量系统的使用方法，其通过将所述进气端与供气系统相连，将所述出气端与发送机单缸机相连；基于所述测量单元，通过所述控制计量组件测量供气系统输入的气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节进入发送机单缸机的气体流量值的大小，直到达到目标值。

其中，在进气端设置稳压罐，通过稳压罐保持一定容积，可以减少压力调节过程中压力变化影响进入流量计测量单元处压力波动。通过控制计量组件测量气体流量值，然后通过调节所述进气端的压力进行反馈调节，使得气体流量值的大小趋近于目标值。从而整个过程很好地解决了脉冲波动及上下游压力变化引起的测量精度较低问题，同时满足了对流量需求的精确控制。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述，是用于区分不同的对象等，其不代表先后顺序，也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。

在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

在本申请实施例描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤，但是应该理解，这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号仅用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行，并且这些操作或步骤可以进行组合。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种台架进气流量调节计量系统，其特征在于，所述台架进气流量调节计量系统包括：

稳压罐，其上设有进气端；

测量单元，其与所述稳压罐相连，所述测量单元内设有音速喷嘴结构，且所述测量单元远离所述稳压罐的一端还设有出气端；

控制计量组件，其基于所述测量单元测量气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节气体流量值的大小。

2.如权利要求1所述的台架进气流量调节计量系统，其特征在于，所述控制计量组件包括：

温度传感器，其用于采集所述测量单元内气体的温度；

第一压力传感器，其用于采集所述音速喷嘴结构前端的第一压力；

第二压力传感器，其用于采集所述音速喷嘴结构后端的第二压力；

控制计量单元，其根据接收的所述温度、第一压力和第二压力，计算气体流量值。

3.如权利要求2所述的台架进气流量调节计量系统，其特征在于，所述控制计量组件还包括：

比例阀，其与所述稳压罐相连，通过控制所述稳压罐的放气量以调节所述气体流量值的大小。

4.如权利要求1所述的台架进气流量调节计量系统，其特征在于：

所述稳压罐和测量单元的连接处的截面直径相等。

5.如权利要求1所述的台架进气流量调节计量系统，其特征在于，所述测量单元内还设有：

进气导向格栅，其位于所述稳压罐和音速喷嘴结构之间。

6.如权利要求5所述的台架进气流量调节计量系统，其特征在于：

所述进气导向格栅与所述稳压罐和测量单元的连接处的距离为2cm。

7.如权利要求1所述的台架进气流量调节计量系统，其特征在于：

所述测量单元靠近所述出气端的位置还设有单向阀，以使气体单向地从所述进气端流向所述出气端。

8.一种如权利要求1所述的台架进气流量调节计量系统的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将所述进气端与供气系统相连，将所述出气端与发送机单缸机相连；

基于所述测量单元，通过所述控制计量组件测量供气系统输入的气体流量值，并通过调节所述进气端的压力以调节进入发送机单缸机的气体流量值的大小，直到达到目标值。

9.一种如权利要求8所述的使用方法，其特征在于，所述基于所述测量单元，通过所述控制计量组件测量供气系统输入的气体流量值，包括：

利用温度传感器采集所述测量单元内气体的温度；

利用第一压力传感器采集所述音速喷嘴结构前端的第一压力；

利用第二压力传感器采集所述音速喷嘴结构后端的第二压力；

控制计量单元根据接收的所述温度、第一压力和第二压力，计算气体流量值。

10.一种如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述通过调节所述进气端的压力以调节进入发送机单缸机的气体流量值的大小，直到达到目标值，包括：

调节与所述稳压罐相连的比例阀，控制所述稳压罐的放气量，以调节所述第一压力的大小；

实时比较气体流量值与目标值的大小，对比例阀进行PID调节，直到气体流量值达到目标值。